精軋機工作輥抬升軌道裝置結(jié)構(gòu)分析及改進

陳忠良 張偉亮 崔永軍

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川610000)

在軋鋼生產(chǎn)中，軋輥工作一定時間后表面會受到不同程度的磨損，而軋輥的磨損將會導致荒管包絡線發(fā)生變化，進而影響軋制效果。因此及時、準確地換輥對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著極其重要的意義[1]。為了提高工作輥的更換速度，提高軋制生產(chǎn)率，熱連軋精軋機組中普遍設有工作輥抬升軌道裝置，其布置在精軋機組內(nèi)部，用于配合快速換輥裝置完成工作輥的更換。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

工作輥抬升缸：4-?125 mm/?90 mm×75 mm

工作壓力：16 MPa

移動速度：20 mm/s

接軸托架重量：2000 kg

工作輥配對重量：38 050 kg

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

工作輥抬升軌道裝置主要用于輔助完成工作輥更換，采用液壓升降式結(jié)構(gòu)。在軋機正常工作時，抬升軌道處于最低位，為輥系的上下運動讓出空間；換工作輥時，抬升液壓缸活塞桿伸出，將抬升軌道及下工作輥裝配抬升至工作位置，使機內(nèi)軌道與機外軌道接平，利用裝在軸承座上的行走輪通過電動小車或推拉液壓缸將舊輥拉出，新輥拉入，完成工作輥的更換。

該裝置屬橫梁結(jié)構(gòu)，主要由出入口軌道、接軸托架、抬升液壓缸、滑板、導向滑塊等組成，如圖1所示。沿軋制線垂直方向布置在機架窗口內(nèi)的出入口端，軌道上布置有平滑板和錐滑板，便于軋輥更換時進出機架，同時可以防止軋輥更換過程中跑偏。軌道的升降運動由固定在牌坊外側(cè)的4個抬升液壓缸實現(xiàn)。軌道與機架間布置有4處垂直導向面，由固定在機架上的導向滑塊、襯板、壓板等完成。

1—抬升軌道 2—接軸托架 3—固定平臺 4—抬升缸 5—導向塊 6—滑板 7—機架 8—工作輥裝配 9—萬向接軸圖1 抬升軌道裝置結(jié)構(gòu)Figure 1 Configuration of lifting track device

接軸托架為焊接結(jié)構(gòu)，隨著軌道的升降而升降，用螺栓固定在軌道傳動側(cè)上。接軸托架的入、出口上安裝有弧型的上、下夾塊，分別用于工作輥更換時托住上、下工作輥鼓形齒接軸。

2 現(xiàn)場存在問題

自設備投入生產(chǎn)后，工作輥抬升軌道裝置始終存在一些問題，影響正常軋鋼的進行，主要有：

(1)抬升軌道與機外換輥軌道不平行

換輥過程中，當舊輥拉出機架后，上、下工作輥鼓形齒接軸作用在接軸托架上，液壓保持鎖定狀態(tài)，等待新輥裝入，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機內(nèi)抬升軌道面在抬升到工作位時出現(xiàn)不平行現(xiàn)象?，F(xiàn)場測量傳動側(cè)軌道下降約10 mm，操作側(cè)軌道上升約10 mm。這一升一降造成操作側(cè)軌道與機外橫移軌道產(chǎn)生高度差，導致新輥推入機架時受阻，并且影響傳動側(cè)接軸扁頭定位精度，進而影響換輥的進行。

(2)抬升軌道無法正常下降

換輥完成后，抬升缸靠自重下降到最低位，避免承受軋制力。當抬升缸無桿腔泄壓后，抬升軌道下降時容易出現(xiàn)卡阻，影響換輥的進行。

3 原因分析

在現(xiàn)場進行了多次換輥實驗，從機械設備結(jié)構(gòu)和液壓原理進行分析，造成上述問題的主要原因是：

3.1 抬升平衡力計算校核

在換輥過程中，傳動側(cè)抬升軌道出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，首先應校核抬升缸的選型是否合適。在計算抬升平衡力時，被平衡零件重量應包括抬升軌道重量G1、上下工作輥裝配重量G2、上下工作輥鼓形齒接軸重量G3，因此被平衡總重量G為：

G=(G1+G2+G3)(1+μ)=69 745 kg

式中，G1=7100 kg；G2=38 050 kg；G3=8500 kg；μ為過平衡系數(shù),取μ=0.3。

Dy=SQRT{4×G×10/[nπP(1-k)]}=124.1 mm

式中，Dy為抬升缸缸徑；n為抬升缸數(shù)量，取n=4；k為液壓缸內(nèi)部摩擦系數(shù)，取k=0.1。

圓整后取Dy=125 mm，活塞桿外徑：當P≥16 MPa時，d=0.7Dy=87.5 mm，圓整后取d=90 mm。

從上述計算結(jié)果可知，選擇的抬升缸大小基本合適，能夠滿足設備使用。

3.2 抬升軌道裝置受力分析

換輥過程中，工作輥抬升軌道傳動側(cè)軌道承受力遠遠大于操作側(cè)，存在偏載現(xiàn)象。將整個抬升軌道裝置簡化為一外伸梁，分析外伸梁在抬升力F1、F2作用下的穩(wěn)定性。簡化受力圖如圖2所示。F1為傳動側(cè)抬升力，F(xiàn)2為操作側(cè)抬升力，S1為F1距重心距離，S2為F2距重心距離。

圖2 簡化形式的重心變化圖Figure 2 Simplified mode of center of gravity shifting

抬升軌道裝置在換輥過程中其重心一直變化。在空負載抬升過程時，由于接軸托架的重量，抬升軌道裝置重心并不在機架中心線上，而是偏向傳動側(cè)，重心偏移量為935 mm；當下軋輥裝配作用在抬升軌道上時，重心偏移量為860 mm；當抬升軌道上升到工作位，上下軋輥裝配均作用在抬升軌道上時，重心偏移量為630 mm；當上下軋輥裝配向操作側(cè)拉出500 mm，重心偏移量為290 mm；隨著軋輥不斷向操作側(cè)拉出，整個重心也向機架中心趨于重合。當上下軋輥裝配拉出機架后，傳動側(cè)軌道承受上、下工作輥鼓形齒接軸約一半的重量，致使整個裝置重心急劇向傳動側(cè)偏移，偏移量達到2120 mm，此時傳動側(cè)軌道處于嚴重偏載狀態(tài)。

4個抬升缸分別布置在傳動側(cè)和操作側(cè)機架外側(cè)，機架內(nèi)側(cè)設計有機械擋塊，用于限制抬升軌道在工作位繼續(xù)上升。原設計中抬升力的作用點與機械擋塊作用點不一致，偏移量達840 mm。抬升缸在工作位還有10 mm的余量行程。由靜力學平衡方程可知：F1×S1=F2×S2。此時力的作用點不一致，兩端力的大小應該也不一樣。由后面液壓原理分析可知，4個抬升缸均由一個換向閥控制，抬升缸實際推力F1=F2，重心偏移導致F1和F2對其重心的力矩不平衡，而機械擋塊不能完全約束住軌道運動，所以軌道就產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)，出現(xiàn)不平行現(xiàn)象。

換輥完成后，抬升軌道不能下降到正常位置。由圖1可知，抬升軌道裝置為便于現(xiàn)場裝配，將傳動側(cè)軌道與導向滑塊端面間隙設計為0，操作側(cè)軌道與導向滑塊端面間隙為5 mm。傳動側(cè)軌道由于偏載先下降，端面處傳動軌道卡口處與傳動側(cè)導向滑塊發(fā)生卡阻，導向滑塊為鑄銅件，致使傳動側(cè)導向滑塊出現(xiàn)不均勻切痕，傳動側(cè)軌道卡口處內(nèi)側(cè)被導向滑塊切痕卡住，使抬升軌道無法下降到正常位置，影響正常軋鋼的進行。

3.3 液壓系統(tǒng)分析

抬升軌道裝置的液壓系統(tǒng)由換向閥、減壓閥、節(jié)流閥、液壓鎖等組成。其液壓原理見圖3所示，4個抬升缸的升降由1個換向閥控制，傳動側(cè)和操作側(cè)抬升缸的出力大小一樣，不能進行單獨調(diào)整。電磁鐵021Y205b**得電，抬升缸上升；電磁鐵021Y205a**得電，抬升缸下降。通過受力分析可知，兩側(cè)液壓缸最好可以單獨進行控制，但改造該液壓系統(tǒng)成本較高，不利于進行本次改造。在今后的設計中，機械設計時，可以要求將兩側(cè)液壓缸分開控制，同時提出同步要求。液壓控制原理圖如圖3所示。

圖3 液壓控制原理Figure 3 Principle of hydraulic control

4 解決方案

經(jīng)上述分析，在設備結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)，對機械設備進行優(yōu)化設計，來滿足設備使用。

4.1 抬升缸位置重新布置

通過以上分析，原有結(jié)構(gòu)抬升缸的選型大小和數(shù)量均能滿足設備使用要求。但原有抬升軌道裝置重心的變化及抬升力位置不合理，容易產(chǎn)生不平衡力矩，使軌道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。因此根據(jù)受力分析，現(xiàn)場調(diào)整原有四個抬升缸位置。將操作側(cè)兩個抬升缸布置在機架中心內(nèi)側(cè)，使機械限位和抬升缸布置在同一中心線上，約束抬升軌道在不平衡力矩下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在工作位保持水平穩(wěn)定性。將傳動側(cè)兩個缸移至接軸托架中心線處，加長傳動側(cè)抬升缸把和支架，使整個抬升軌道裝置受力更合理。如圖4所示。

圖4 改進后抬升缸布置圖Figure 4 Distribution of improved lifting cylinder

換輥過程中，受力的合理性直接影響設備的使用穩(wěn)定性。在液壓系統(tǒng)不能更改狀態(tài)下，兩端抬升缸的力比值越趨近于1，設備的受力就越合理。圖5表示隨著重心的偏移，F(xiàn)1與F2的比例關系。原有結(jié)構(gòu)中，在重心偏移290～900 mm的過程中(軋輥未拉出機架過程中)，直線斜率較平緩，此時F1∶F2=2∶1；當重心偏移為2120 mm時(軋輥拉出機架)，直線斜率急劇上升，高達F1∶F2=24∶1。改進后的結(jié)構(gòu)重心偏移為290～900 mm(軋輥未拉出機架過程中)，F(xiàn)1∶F2=1，斜率較平緩；當重心偏移2120 mm(軋輥拉出機架)，F(xiàn)1∶F2=4∶1。此時雖然存在理論受力大小不一致。但

圖5 改進前后兩種結(jié)構(gòu)受力曲線圖Figure 5 Force curves of structures before and afterimprovement

由于傳動側(cè)機械擋塊的約束，軌道不會產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)。

4.2 抬升軌道及抬升缸結(jié)構(gòu)改進

1—抬升缸 2—抬升軌道 3—導向滑塊圖6 抬升軌道及抬升缸改進圖Figure 6 Improvement of lifting track and the cylinder

換輥過程完成后，抬升缸無桿腔泄壓，由于自重，抬升軌道下降到最低位。由于偏載的影響，傳動側(cè)導向滑塊與軌道卡口處間隙過小，容易出現(xiàn)卡阻。因此，如果能夠施加一個向下的力，將抬升

軌道拉回到最低位，是很有必要的。因此，利用原有抬升缸的有桿腔作用，將兩側(cè)抬升軌道作用點處加工成T型通槽，具體改進結(jié)構(gòu)見圖6。抬升液壓缸活塞桿頭部也設計成T型頭，在活塞桿下降時，利用活塞桿頭部T型頭與軌道止口形成配合面，對軌道施加向下拉力，使軌道下降。

5 結(jié)語

通過介紹工作輥抬升裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)特征，為抬升裝置的故障分析提供了理論基礎。結(jié)合現(xiàn)場故障分析進行改進，最終解決了工作輥換輥不順的問題。在使用過程中，改進后的結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，故障率低，滿足了熱連軋更換工作輥的要求，提高了軋線生產(chǎn)率。